适用于WIFI计量插座的一种高效的校表方法

适用于WIFI计量插座的一种高效的校表方法

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产品介绍

适用于WIFI计量插座的一种高效的校表方法

 

   随着物联网产品品类的丰富,早期的WI-FI插座逐步升级成带计量功能的WI-FI计量插座,因为元器件误差和生产工艺的影响,带计量功能的插座需要进行校正,才能提高测量精度,涉及到强电的测量,在生产上面会带来了一些新的麻烦,所以就在应用上的经验,给大家分享下我们的校正(校表)方法,希望给大家带来启发。

 

校表的目的

    WIFI计量插座的校表目的是要解决产品的精度问题,WIFI计量插座在生产完成后,如果不进行校正(校表),精度一般在5%10%以内,所以厂家在生产完成成品后,会进行最后一个环节的工序,对产品进行校正,校正完成后,可以将产品的精度提高至1%以内(视校正使用设备的精度决定)。

 

计量芯片为什么需要校正

   目前市面上所有的计量芯片在用于电表产品时,都需要通过专用的校表台对成品进行校准,目的通过校正方式消除系统误差,如下图,计量电路中的采样电阻、电压分压电阻和芯片内部参考电压等都会引起系统误差。

                                             

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1 引起系统误差的几个参数

 

通过更具体的案例,可以进一步了解校正的真实原因,下图是一款常于用于WI-FI计量插座的计量芯片HLW8012

   

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2 电能计量芯片

    HLW8012是一款带脉冲输出的计量芯片,从上图可以看出,输入负载的信号通过V1PV1NV2P给到芯片进行测量,然后通过CFCF1输出,且是以脉冲的方式输出。

下图是根据HLW8012手册内的理论计算公式进行的推导过程。从理论公式可以看出,输入功率P(电压或电流)和输出频率Fcf是成线性关系的,P = K1*Fcf

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3        HLW8012理论计算公式

所以,我们知道HLW8012的输入信号的大小(功率、电压和电流)和输出频率是成线性关系的,它们的关系如下图所示,同理,电压和电流也有下图的斜率比例关系。

 

   

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4 输入负载大小和输出频率的关系曲线

在未校正前(黑色曲线),输入和输出的关系如曲线1,因为y = k1x ,以上图为例,

k1 = 380/50  =  7.6;

但实际上,这个K17.6)值会随着电路参数值的变化而发生改变,,影响线性关系的参数有:电流采样电阻、电压分压电阻、芯片内置晶振偏差和内置参考电压Vref的偏差,如下图:

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                                                          5 影响斜率的各个参数图

 

随着以上几个参数的变化,线性曲线的斜率也是会一起发生变化的。

其实我们并不知道50HZ对应的实际功率是多少W,图上的380W的值,是我们假定的一个默认功率值,从而计算出的的斜率(K1 = 7.6),这个值是有一定误差的,而真正的斜率曲线则是红色这条曲线。

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6 校正负载曲线

 

那么我们如何找到红色曲线的斜率值呢?

我们通常需要通过校正的方式来获取这条曲线,如图6,通过对系统给定己知100W的标准负载,然后实际测量出100W负载对应的输出频率12.5HZ,就可以计算出真实的斜率是K2 = 100/12.5 = 8;

那么经过这种校正方法,我们就可以把系统的误差修正到1%以内(视校正负载的精度决定)。

如果不校正,误差会有多少?

    以图6为例,我们可以计算出误差值,

[(400 - 380)/400] *100% = (20/400)*100% = 5%

我们可以看到,如果不校正,系统的误差就会有5%,这个误差还是比较大的。

 

目前常用的校正方案

    根据校正对象不同,我们把校正分为三种类型的校正:

1、 成品整机校正;

2、 半成品PCBA校正(应包含完整计量电路)

3、 二合一模块(WIFI+计量)校正。

 

整机校正

    整机校正是指待整个产品制作完成后,在包装之前,对整机进行校正,校正完成后,再做成品功能检测,最后包装入库。

    如图7所示,是采用专用的交流电子负载做为校准负载,,这种电子交流负载的精度高(一般精度在1%以内),校表后可以达到非常理想的效果,整机校正成功后,线性度在1%以内。

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7        整机校表示意图一

 

8采用交流稳压源和电阻负载(或灯泡)用于校正,因为电阻负载发热会导致阻值发生变化,影响到功率变化,所以图2方法校正的精度会比图1低一些,一般在2%-3%左右。

7和图8的校正方法其实是没有区别的,区别在于选择的标准负载不同,图7选择的是专用的交流电子负载,此类电子负载成本相对较高,但负载的精度比较高。而图8选用的是低成本的方案,负载的精度没有专用负载高,灯泡和电阻时常会受到发热的影响,使得负载功率发生变化,校正达到的效果相对差些,一般在2%-3%左右。

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8        整机校表示意图二

         半成品PCBA校正

           半成品PCBA校正是指在PCBA的功能检测过程中,把校正的过程放在半成品PCBA检测一起,这样做的好处是可以在产品装上模具之前将一部分不良品剔除出来。校正示意图如图9和图10

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9        PCBA校正示意图一

9采用的是成本较高的交流电子负载进行校准,图10是采用低成本的校正方案,也是采用交流稳压电源替和电阻负载替代高精度的交流负载,采用图10方案,校正可以达到2%-3%的左右的效果。

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10      PCBA校正示意图二

        

在半成品PCBA校准时,需要制作测试工装与其配合,此时通过探针将电子负载的与PCBA的测试点连接在一起,因为探针与PCBA的焊盘测试点是通过压力接触的,所以此时测量的负载最好不要太大,建议不超过500W

 

二合一模块(WIFI+计量)校正

         下图是WIFI+计量的二合一模块,从下图可以看出,二合一模块正面是计量部分,二合一模块的背面是WIFI模块,整个WIFI模块是贴合在板子的背面,只留于天线部分外露,这样做是为了不阻挡天线的信号,使得WIFI模块可以更好的进行通讯。

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11 WIFI计量二合一模块

         WIFI+计量的二合一模块其实是将WIFI模块和计量模块进行叠加在一起, 下图是二合一模块的校正示意图,校正方法和半成品PCBA类似,只是校正的对象是整机和半成品PCBA改为二合一模块,进行校正前,需要制作好测试工装。

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12 二合一模块校正示意图一

 

同样,将校正负载源换成交流电子负载时,可以提高产品校正后的精度,如下图所示:

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13二合一模块校正示意图二

   

WIFI+计量的二合一模块的体积非常小,在多个不同模具产品当中,可以使用同一套WIFI模块和计量模块,特别适合于产品类别比较多的客户使用。同时可以将复杂的校正工序进行模块化、标准化。

 

 

校正方案优劣势对比

    下表是对三种校正方式的对比:

校正方式

特点

适用客户

 

 

整机校正

1、 不需要制作专用测试工装

2、 校正方式简单

3、 遇到产品不良,维修比较困难

1、早期样机调试的客户

2、适合初期制作WIFI智能插座的客户

3、适用于生产良率较高的量产客户

4、适用于量产客户

 

 

半成品PCBA校正

1、 需要制作测试工装

2、 有利于可半成品PCBA的品质监控和维修

3、 可根据产品特点制定符合产品特点的测试方案

1、 适用量产客户

2、 适用对生产质量不可控的客户,比如新换了加工厂

3、 适用于量产客户

 

WIFI+计量二合一模块校正

1、需要制作测试工装

2、可根据产品特点制定符合产品特点的测试方案

3、测试效益高

1、 适用于WIFI模组厂

2、 适用于量产客户

 

 

建议的校表方法

    我们可以根据产品研发和量产的不同阶段采用不同的校正方法,比如在刚开始进入计量插座的研发时,可以采用整机校正方法,因为整机校正比较简单,不用专门制作测试工装就可以进行校正,在后期如果需要进行大面积量产时,则可以改用半成品PCBA校正或二合一模块进行校正。

    成品校正的缺点在于如果计量功能有问题,在产品检测前期则不能及时把不良品剔除,而半成品PCBA的校正则可以很好的解决这个问题。但是如果我们的生产制造过程中的的不良率很底,则可以使用成品校正方法。但是现在很多客户都是方案设计公司,生产制造一般都有用外包的形式,在对ODMOEM厂商不是非常了解的情况下建议使用半成品PCBA校正或WIFI+计量二合一模块的校正。

    WIFI+计量二合一模块的校正方法则适用于大多数模组厂、ODMOEM厂商,因为需要面对许多不同类型的客户,而大多客户的产品诉求不同,从而导致需要使用不同的方案满足不同客户的需求,这样就会致针对不同客户的产品需要制定不同的工装,但如果将WIFI模块和计量制作成二合一模块,则可以同时满足大多客户的需求,且可以用一种测试工装就可以满足所有客户的产品。

    总之,我们需要根据自身需求和实际情况出发,在不同的研发阶段和生产阶段采用合适的校正方法进行校正。

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